压气机整机超大规模非定常模拟关键技术

doi:10.7527/S1000-6893.2024.29865

Abstract

Abstract:

The aero-engine compressor often contains multiple ducts and up to a dozen compressor stages， and the full-annulus unsteady simulation technology is one of the means to improve the fidelity of its internal flow field simulation. The billions of the compressor grids result in a huge amount of unsteady simulation computation， necessitating the development of a highly scalable solver for the massive unsteady CFD simulation of the compressor. Based on the in-house software ASPAC， a universal solution to generating the initial field of the full-annulus grid after partitioning based on the single channel grid steady flow field is provided； analysis and testing are conducted on the international method of generating full-annulus wall distance based on the single channel wall distance， and the deviation distribution area and magnitude caused by this method in unsteady simulation results are given. We further develop a grid overlap localization strategy for the blade row interface considering grid distortion， conduct the MPI/OpenMP hybrid parallel transformation of compressor unsteady simulation， and solve the problem of data competition during OpenMP parallel simulation by optimizing the solution process. The results show that the developed method has been successfully applied to the full-annulus unsteady simulation of a twin-spool 13-stage compressor with 6.116 billion grids using 102 400 CPU cores. The MPI/OpenMP hybrid parallel mode has basically solved load imbalance caused by the dynamic processing of the blade row interface interpolation. The parallel efficiency of the 102 400 cores compared to the 10 240 cores is 84.7%， far higher than that of the MPI parallel mode of 46.7%.

Key words: twin-spool, 13-stage compressor, full-annulus unsteady simulation, wall distance, MPI/OpenMP hybrid parallel

CLC Number:

V231.3

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Figures/Tables 29

Table 1

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Table 2

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Fig. 21

References 31

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软件	并行规模	并行模式	网格量/10⁸	涵道数	级数
elsA^［18］	512	MPI	1.34	1	3.5
In-house code^［19］	7 300	MPI	20	1	7
TRAF^［20］	200	MPI	15	1	15
AU3D^［21］	192	MPI	3	1	8
ASPAC^［22］	10 240	MPI	7.65	2	13
SunwayURANS^［23］	449 280	众核异构	72	1	0.5
ASPAC	102 400	MPI，MPI/OpenMP	61.16	2	13

叶排	叶片数	初始网格/10⁴	加密网格/10⁴
LPC_r1	10	421.9	3 374.9
LPC_s1	23	114.7	917.5
LPC_r2	20	140.5	1 123.9
LPC_s2	21	103.2	825.8
LPC_r3	21	133.4	1 067.4
LPC_s3	23	103.2	825.8
LPC_r4	18	171.8	1 374.2
LPC_s4	22	126.5	1 011.7
内涵道撑板	6	161.0	1 288.0
外涵道撑板	6	116.2	929.3
HPC_IGV	31	53.4	427.0
HPC_r1	26	68.8	550.7
HPC_s1	46	46.1	368.6
HPC_r2	35	54.5	435.8
HPC_s2	66	41.0	327.9
HPC_r3	40	54.5	435.8
HPC_s3	74	37.1	296.4
HPC_r4	50	48.0	384.2
HPC_s4	84	31.1	248.8
HPC_r5	57	47.5	380.3
HPC_s5	102	31.1	248.8
HPC_r6	67	45.4	363.1
HPC_s6	98	31.1	248.8
HPC_r7	62	45.4	363.1
HPC_s7	91	31.1	248.8
HPC_r8	68	44.9	359.2
HPC_s8	102	34.4	274.9
HPC_r9	65	42.8	342.0
HPC_s9	112	43.2	345.6

网格	方法	耗时/s	内存消耗
1.5-stage	直接法	192 362.36	1 614.72 MB
	循环盒子法	533.59	1 716.00 MB
	当前方法	4.49	1 546.11 MB
13-stage coarse	直接法	7 755.84	19.86 GB
	循环盒子法	6.80	21.02 GB
	当前方法	0.06	19.10 GB
13-stage fine	当前方法	0.90	150.12 GB

内迭代步数	10	50
RowInterfaceGridAssembly耗时/s	0.152 008	0.143 821
HaloExchange耗时/s	0.724 860	0.698 514
RowInterfaceExchange耗时/s	0.074 348	0.073 611
CFD algorithm耗时/s	2.588 475	2.597 686
内迭代平均时间/s	3.388 091	3.370 210
外迭代平均时间/s	34.176 414	168.787 476

函数名称	功能描述	耗时占比/%
函数名称	功能描述	内迭代步数为10	内迭代步数为50
LU-SGS	Navier-Stokes 方程LU-SGS求解	30.93	30.89
InviscidFlux	无黏通量求解	21.34	21.77
SA LU-SGS	SA方程LU-SGS求解	21.24	21.37
CalGeometry	计算几何参数	7.90	7.88
ViscousFlux	黏性通量求解	2.32	2.30
SA_Source	SA方程源项求解	2.27	2.31

Key technologies for massive unsteady simulation of whole compressor

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位置	流量/（kg·s^-1）	总压/（10⁵Pa）	静压/（10⁵Pa）	总温/（10²K）	静温/（10²K）
入口	48.733 556 26	1.019 685 353	0.994 973 231 8	2.888 314 761	2.868 140 114
外涵出口	8.174 930 182	1.040 789 054	1.012 636 720	2.905 918 733	2.883 240 581
内涵出口	1.735 740 681	1.040 796 178	1.012 656 069	2.905 929 198	2.883 261 082

并行模式	线程数	耗时/s
MPI		3.417 641 4
MPI/OpenMP	1	3.525 929 6
	2	3.512 598 8
	4	3.710 951 2
	8	4.766 931 9
	16	9.504 354 9

进程数	负载不平衡度/%	对应算例
640	0.12	10 240（16）
1 280	0.11	10 240（8）
2 560	0.46	10 240（4）
5 120	4.24	10 240（2）
6 400	2.87	102 400（16）
10 240	4.99	10 240，10 240（1），20 480（2）
12 800	4.80	102 400（8）
20 480	4.88	20 480，40 960（2）
25 600	7.26	102 400（4）
40 960	5.27	40 960，81 920（2）
51 200	19.37	102 400（2）
81 920	42.64	81 920
102 400	78.30	102 400，102 400（1）

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